при вибрациях и землетрясениях

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета совместно с коллегами из Института проблем машиноведения РАН создали первую модель, позволяющую точно прогнозировать, как сплавы с памятью формы будут защищать конструкции от разрушительных вибраций и сейсмических воздействий. Результаты исследования опубликованы в Smart Structures and Systems.

Иллюстрация сгенерирована нейросетью «Кандинский»  

Сплавы с памятью формы (СПФ) — это уникальные материалы, способные «запоминать» свою исходную форму и возвращаться к ней даже после деформации. Благодаря этому они применяются в системах, защищающих здания, мосты и промышленные конструкции от вибраций и землетрясений. СПФ эффективно гасят колебания, снижая разрушительное воздействие нагрузок, и при этом обладают высокой долговечностью. 

Свойства этих сплавов зависят от температуры: при нагреве и охлаждении они меняют свою структуру, становясь то более жесткими, то более гибкими. Это позволяет настраивать их для решения разных задач. Например, в одном режиме они могут поглощать энергию колебаний (демпфирование), а в другом просто отклонять вибрации, не пропуская их дальше (изоляция). Такая гибкость делает эти сплавы идеальными для защиты критически важных объектов инфраструктуры.

Так, использование СПФ открывает новые возможности в строительстве и машиностроении. Эти материалы могут автоматически адаптироваться к изменяющимся нагрузкам, повышая надежность конструкций. Например, в сейсмоопасных регионах здания с элементами из СПФ будут устойчивее к подземным толчкам, а промышленное оборудование меньше подвергнется износу от вибраций.

«В своей работе мы провели моделирование одномерной колебательной системы — крутильного маятника — с учетом влияния ключевых факторов на температуру рабочего тела: температуры окружающей среды, теплообмена и скорости нагружения. Мы промоделировали эксперименты, выявляющие влияние каждого из факторов на эффективность работы виброзащитного устройства», — объяснил доцент кафедры теории упругости имени Н. Ф. Морозова СПбГУ, старший научный сотрудник ИПМаш РАН Федор Беляев.

 

Сплавы с памятью формы (СПФ) — это уникальные материалы, способные «запоминать» свою исходную форму и возвращаться к ней даже после деформации. Благодаря этому они применяются в системах, защищающих здания, мосты и промышленные конструкции от вибраций и землетрясений. СПФ эффективно гасят колебания, снижая разрушительное воздействие нагрузок, и при этом обладают высокой долговечностью. 

Свойства этих сплавов зависят от температуры: при нагреве и охлаждении они меняют свою структуру, становясь то более жесткими, то более гибкими. Это позволяет настраивать их для решения разных задач. Например, в одном режиме они могут поглощать энергию колебаний (демпфирование), а в другом просто отклонять вибрации, не пропуская их дальше (изоляция). Такая гибкость делает эти сплавы идеальными для защиты критически важных объектов инфраструктуры. 

Так, использование СПФ открывает новые возможности в строительстве и машиностроении. Эти материалы могут автоматически адаптироваться к изменяющимся нагрузкам, повышая надежность конструкций. Например, в сейсмоопасных регионах здания с элементами из СПФ будут устойчивее к подземным толчкам, а промышленное оборудование меньше подвергнется износу от вибраций. 

«В своей работе мы провели моделирование одномерной колебательной системы — крутильного маятника — с учетом влияния ключевых факторов на температуру рабочего тела: температуры окружающей среды, теплообмена и скорости нагружения. Мы промоделировали эксперименты, выявляющие влияние каждого из факторов на эффективность работы виброзащитного устройства», — объяснил доцент кафедры теории упругости имени Н. Ф. Морозова СПбГУ, старший научный сотрудник ИПМаш РАН Федор Беляев. 

Ученый отмечает, что данные факторы сильно влияют на сплавы с памятью формы, и без них невозможно точно описать и смоделировать работу виброзащитных устройств. Эксперименты показали, что эти материалы по‑разному ведут себя в зависимости от условий нагрева и охлаждения. Когда сплав медленно деформируют при постоянной температуре (например, в обычных комнатных условиях) и когда делают это быстро (так, что тепло не успевает уходить), разница в нагреве может достигать 20 градусов. При быстром воздействии материал становится заметно жестче. 

Также большое значение имеет, как именно охлаждается сплав. Если он просто остывает на воздухе, его поведение близко к адиабатическому случаю, когда теплообмена не происходит. Однако если подвергнуть СПФ водному охлаждению, то скорость теплообмена возрастает, и способность гасить вибрации значительно улучшается. Также важно учитывать скорость воздействия: при резких ударах материал хуже справляется с вибрацией, но если его предварительно немного охладить, эта проблема исчезает. 

Наилучшие результаты в управляемых системах виброзащиты показали два подхода. Первый — быстро охлаждать сплав, заставляя его переходить в низкотемпературную фазу с высокими демпфирующими способностями. Второй — сначала резко нагреть материал до перехода в высокотемпературную фазу, а затем охлаждать до начального состояния. 

«Мы разработали механическую модель СПФ, которая может использоваться при проектировании новых, более эффективных виброзащитных и сейсмозащитных устройств. Благодаря учету тепловых процессов модель позволяет получать более точные результаты, что позволит разработчикам выбрать более подходящие сплавы и режимы их эксплуатации», — добавил Федор Беляев. 

Кроме того, модель позволяет разрабатывать полуактивные системы виброзащиты и программы для их управления.

 

Пресс-служба СПбГУ